(57)【要約】【課題】電気湿潤現象を用いた装置に関する。【解決手段】電解液及び選択的に絶縁液を含み、上記電解液はモル質量が１００以下で、溶解度が２７以上である第１塩、Ｊｏｎｅｓ−Ｄｏｌｅ定数が陰の値を有するイオンを含む構造破壊者系列の第２塩及びＳｅｔｓｃｈｅｎｏｗ定数（ｋｓ）が０．１５０以上の値を有するイオンを含む第３塩を含み、上記塩は電解液の総重量に対して１０−３０重量％の範囲で存在する電解液を含む電気湿潤装置を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
モル質量が１００以下で溶解度が２７以上である塩と、
Ｊｏｎｅｓ−Ｄｏｌｅ定数が陰の値を有するイオンを含む構造破壊者系列の塩と、
Ｓｅｔｓｃｈｅｎｏｗ定数（ｋｓ）が０．１５０以上の値を有するイオンを含む塩と、を有する電解液を含む電気湿潤装置。
【請求項２】
前記塩は、電解液の総重量に対して１０−３０重量％の範囲を有することを特徴とする請求項１に記載の電気湿潤装置。
【請求項３】
前記モル質量が１００以下で溶解度が２７以上である塩は、ＬｉＣｌ、ＮＨ４Ｃｌ、ＮａＣｌ及びＫＣｌから成る群から選択される塩であることを特徴とする請求項１に記載の電気湿潤装置。
【請求項４】
前記構造破壊者系列の塩は、Ｃｓ＋、Ｂｒ−、Ｉ−、Ｋ＋、Ｃｌ−、ＮＨ４＋及びＮＯ３−から成る群から選択されたイオンを含む塩であることを特徴とする請求項１に記載の電気湿潤装置。
【請求項５】
前記Ｓｅｔｓｃｈｅｎｏｗ定数（ｋｓ）が０．１５０以上の値を有するイオンを含む塩は、Ｎａ＋、Ｋ＋、Ｃｌ−及びＢｒ−から成る群から選択されたイオンを含む塩であることを特徴とする請求項１に記載の電気湿潤装置。
【請求項６】
絶縁液をさらに含むことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一つに記載の電気湿潤装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電気湿潤装置に関することであって、より具体的には塩の種類と濃度を調節して温度による駆動性能の信頼性を確保した伝導性液体を使用する電気湿潤装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気湿潤現象とは、界面に存在する電荷を調節して界面の張力が変化する現象を称する。このような電気湿潤現象を利用すると微小液体及び液体内の微小粒子を制御することが出来るため、最近電気湿潤現象を用いた様々な製品が研究されつつある。電気湿潤現象を用いた適用分野には、液体レンズ、マイクロポンプ、ディスプレイ装置、光学装置、ＭＥＭＳ分野などが挙げられるが、特にＡｕｔｏ−Ｆｏｃｕｓのための液体レンズは、既存レンズの駆動方式と比べ小さいサイズ、低い消費電力、そして速い応答速度などの多くの長所がある。
【０００３】
このような電気湿潤装置を具現するためには駆動性能、光学性能、再現性、安定性、信頼性などを考慮すべきであるが、特に電圧印加時、液体の界面が震えたり揺れたりする問題（ｕｎｓｔａｂｌｅ  ｍｏｖｉｎｇ）がなく安定的に形状を維持してこそ所望の目的を成し遂げることができ、超小型精密電子機器に使用されるために駆動電力が低く応答速度が速いべきである。また、液体状態の物質は温度による物理的特性の変化が大きいため、信頼性確保のために温度による物性の変化を最小化させることが重要である。
【０００４】
電気湿潤（ｅｌｅｃｔｒｏｗｅｔｔｉｎｇ）とは、界面に存在する電荷によって界面の表面張力が変化され接触角が変化される現象から派生されたことであって、特に界面に作用する電位差が高いよう界面に薄い絶縁体が存在する場合を意味する。図１は、このような一般的な電気湿潤システムを概略的に図示したものである。
【０００５】
電解質の中に存在する電荷は、化学的特性によって境界へ移動しようとする特性を有している。この際、外部から電気場を印加すると、このような特性はさらに強くなり、特に境界が重なるＴＣＬ（Ｔｒｉｐｌｅ  Ｃｏｎｔａｃｔ  Ｌｉｎｅ）では電荷の濃度が大きく増加する。このような現象は、電荷の間に存在する反発力を増加させ、これは液滴の縁で表面張力が低くなる結果を及ぼすこととなる。
【数１】
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【０００６】
電気湿潤現象は微小流体の移送、混合及びコーティング速度の増加、光スイッチ等のような多くの分野に応用可能で、最近は液体レンズ、マイクロポンプ、ディスプレイ装置、ＭＥＭＳ及び微小流体分野で世界的に多くの研究が進行されつつある。
【０００７】
このような現象を利用して電気湿潤装置を構成するためには、基本的に一つあるいはそれ以上の液体が要され、特に電気的な特性を有し実質的な駆動役割をする伝導性液体の特性が最も重要であると言える。一般的にこのような電解液は、純水に電気的な性質を付加するための塩（Ｎａ２ＳＯ４、ＬｉＣｌ等）を少量添加して使用している。図２は、このような電解液を使用して一般的な電気湿潤システムを構成した場合に電圧印加時電解液が動作する姿を図式化した図面である。
【０００８】
電気湿潤システム内の絶縁膜がコーティングされている電極上に電解液滴を落とした後電圧をかけると、電解液内の電荷の移動によって、図２のように電解液滴が絶縁膜の表面上に広がる現象が発生する。
【０００９】
このような原理を精密電子機器に応用するために高度の信頼性を確保することが重要である。しかし、従来技術は電解液に添加される塩が上記液体に電気的性質を付与することだけを目的とし、電解液の温度による信頼性確保については全く触れようとしていなかった。また、電解液に有機溶媒を添加して液体間屈折率の差を大きくすることにより、さらに優秀な光学性能を得ることを目的としているが、これら先行技術は、ただ常温での光学特性を向上させるためのことであって、温度変化による信頼性確保とは距離があった。
【００１０】
このような電気湿潤システムは、様々な電子機器に応用するため温度による信頼性を確保することが重要である。一般的な電子機器の場合、−４０℃〜＋８５℃の温度区間で駆動信頼性が確保されるべきである。液体状態の物質は、固体状態の物質に比べ温度による物理的性質の変化が大きいため、これを駆動特性に影響を与えないよう最小化する方向に特性を調節すべきである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明で使用する電解液は、その相異温度による物性の変化が大きい液体であるため、上記液体の特性を調節して温度による物性の変化を最小化し温度による信頼性を確保するため塩の種類と濃度を最適化することが本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は上記のような目的を達成すべく、電解液及び選択的に非伝導性液体（以下、‘絶縁液’とする）を含み、上記電解液はモル質量が１００以下で、溶解度が２７以上である第１塩、Ｊｏｎｅｓ−Ｄｏｌｅ定数が陰の値を有するイオンを含む構造破壊者系列の第２塩及びＳｅｔｓｃｈｅｎｏｗ定数（ｋｓ）が０．１５０以上の値を有するイオンを含む第３塩を含み、上記塩は電解液の総重量に対して１０−３０重量％の範囲で存在する電解液を含む電気湿潤装置を提供する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によると、モル質量が小さく溶解度が高い塩、電荷密度が低い構造破壊者イオンで構成された塩、ソルティングアウト能力が優れるイオンで構成された塩のような特性を有する様々な種類の塩を混合して使用することにより、溶解度、氷点、温度による粘度変化及び絶縁液との分離特性を全て考慮して温度による信頼性を満足する電解液が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明をより詳細に説明する。
図３は液体レンズの一例として、電圧印加時内部の液体が駆動する姿を図式化したものである。液体レンズは、その特性上相互混ざらない２種類の液体、即ち電気的特性を有する実際駆動役割をする電解液と電解液の動きによって相対的に模様が変わってレンズの役割をする非伝導性オイルや液体（以下、‘絶縁液’とする）が相互界面を形成しながら存在する構造を有する。
【００１５】
本発明によると、電気湿潤システムに使用される電解液はモル質量が１００以下で、溶解度が２７以上である塩を使用することが好ましい。
【００１６】
一般的に水に塩を添加することにより水の様々な物性が異なることとなる。一般的に塩を添加すると水溶液の密度が増加する。また、塩を添加すると、そのモル濃度に比例して水溶液の氷点が低くなる。液体レンズとして利用される時、低温で電解液が凍ることを防ぐため過量の塩を添加する必要がある。即ち、−４０℃で凍らないよう水１００ｇ当たり１モル以上の塩の添加が要される。表１に電気湿潤装置の電解液に添加されることが出来る様々な可溶性塩のモル質量と溶解度をモル質量の大きさの順で示した。
【表１】
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【００１７】
液体レンズの構成において絶縁液を構成するシリコンオイル系列の物質は大部分密度が１．０以下であるが、液体レンズの特性上電解液と絶縁液の密度は同一でなければならないため、電解液の密度を最小化するためモル質量が小さい塩を使用することが好ましい。上記塩のうちモル質量が１００以下である塩が電解液の密度を最小化して絶縁液の密度と同じ値を有するようすることができ、さらに、２７以上の溶解度を有するものを使用することにより、−４０℃で凍らないようにするので、モル質量が１００以下で、溶解度が２７以上である塩を使用することが好ましい。
【００１８】
このようにモル質量が１００以下で、溶解度が２７以上である塩には、上記表１に記載された通りＬｉＣｌ、ＮＨ４Ｃｌ、ＮａＣｌ及びＫＣｌ等が挙げられる。
【００１９】
また、本発明の電解液に使用される塩はＪｏｎｅｓ−Ｄｏｌｅ定数が陰の値を有するイオンを含む構造破壊者系列の塩を使用することが好ましい。
塩を添加した時、水溶液の粘度は次の式１の通り示すことが出来る。
【数２】
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η：塩を含む水溶液の粘度
η０：純水の粘度
ｃ：塩の濃度
Ａ：Ｄｅｂｙｅ−Ｈｕｎｋｅｌ定数
Ｂ：Ｊｏｎｅｓ−Ｄｏｌｅ定数
【００２０】
この際、定数Ｂの値によって構造生成者（ｋｏｓｍｏｔｒｏｐｅ）及び構造破壊者（ｃｈａｏｔｒｏｐｅ）イオンに区分され、上記構造生成者イオンは定数Ｂ（Ｊｏｎｅｓ−Ｄｏｌｅ定数）が陽の値を有し、構造破壊者イオンは陰の値を有する。
【００２１】
このように定数Ｂが陰の値を有するイオンを電解液に添加すると、水分子の構造的結合を妨害して水分子間の水素結合の数が減り、さらに水溶液の粘度を減少させ温度変化による粘度変化を減少させるため構造破壊者系列の塩を使用することが好ましい。
【００２２】
電気湿潤装置に使用される電解液に構造生成者イオンを添加すると、イオン周囲に水分子が構造的に配列し、強く結合することとなり水溶液の粘度が高くなる。電解液の粘度が低過ぎると電圧印加時に表面揺れ現象が生じるため電気湿潤装置の安定的な駆動のため水溶液の粘度が純水より高いものが好ましいが、温度が低くなる時水の粘度が増加する理由は、水分子がより構造的に配列し、水分子間の水素結合の数が増加して分子間の結合力が強くなるため、図４に示された通り低温に行くほど水の粘度が指数的に上昇することと成る。従って、低温で粘度が界面安定化に必要な以上に大きくなると駆動速度が遅くなる問題が発生し、電気湿潤装置の電解液としては好ましくない。
【００２３】
また、上記のように電解液の粘度は、純水より高いことが好ましいが、可溶性塩を添加するとイオンと水分子間の電気的結合力で水分子を配列させ水分子間の結合を強くしたり弱くして水溶液の粘度を変化させ得るため、別途の極性溶媒を添加して界面安定化を確保することができ、低温駆動信頼性の確保のため温度による水溶液の粘度変化を低める塩を使用することが好ましい。
【００２４】
一般的に大きさが小さく電荷が大きい、即ちイオン周囲の電荷密度が高いイオン（Ｌｉ＋、Ｍｇ２＋、Ｃａ２＋、Ｆ−等）が構造生成者イオンに含まれ、電荷密度が低いイオン（Ｃｓ＋、Ｂｒ−、Ｉ−等）が構造破壊者イオンに含まれる。Ｋ＋とＣｌ−は２つの分類の境界（Ｊｏｎｅｓ−Ｄｏｌｅ定数が０に近い）にあることとみられる。また、ＮＨ４＋、ＮＯ３−のような２つ以上の原子で構成されたイオンの場合にも電荷密度が低いため構造破壊者イオンとして役割をすることが出来る。
【００２５】
上記表１に記載されたイオン分類において構造破壊者イオンに含まれるイオンは粘度を減少させる効果があり、特にＫ＋、Ｃｌ−、Ｉ−等のイオンは水溶液の温度が減少するにつれＪｏｎｅｓ−Ｄｏｌｅ定数がさらに小さくなる。このようにＪｏｎｅｓ−Ｄｏｌｅ定数が陰の値を有するイオンを含む塩を使用する場合低温駆動時間信頼性を確保することが出来る。
【００２６】
モル質量が小さく溶解度が高いため電解液用電解質として使用可能性が高いＬｉＣｌの含量による水溶液の物性と氷点変化について表２及び表３に各々示した。塩の濃度が増加することにより密度、粘度、屈折率及び表面張力が全て増加する傾向を示すことが分かる。粘度と表面張力が増加することから、Ｌｉ＋イオンが構造生成者イオンとして役割をして水分子間の結合力を増加させることが分かる。また、電解液に他の添加剤（不凍液）を使用しない時、ＬｉＣｌの濃度を２０％以上に維持してこそ低温で電解液が凍らないため低温駆動信頼性を満足することが可能となる。
【表２】
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【表３】
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【００２７】
しかし、低温で水溶液の粘度が増加して駆動速度が遅くなる問題を改善するためにはＬｉＣｌよりＫＣｌ、ＫＢｒ、ＮＨ４Ｃｌ、ＫＮＯ３等の構造破壊者系列イオンを主として構成された塩を使用することがより好ましい。しかし、このような塩の場合、モル質量が大きいため水溶液の密度が大きくなり、水に対する溶解度が小さいため過量添加した場合、低温で析出される恐れがある。
【００２８】
従って、液体レンズとして作動するための氷点、密度、低温駆動速度の全ての物性を満足させるためモル質量が小さく、溶解度が高いＬｉＣｌと低温で水溶液の粘度を減少させる構造破壊者系列の塩を適正割合で混合して使用する時、良い駆動特性を得ることが出来る。
【００２９】
このような構造破壊者系列の塩はＪｏｎｅｓ−Ｄｏｌｅ定数が陰の値を有するもので、その具体例としてはＣｓ＋、Ｂｒ−、Ｉ−、Ｋ＋、Ｃｌ−、ＮＨ４＋及びＮＯ３−が挙げられる。このような塩を電解液に添加することにより、温度変化による粘度変化、即ち温度減少による粘度増加を最小化することができ低温駆動時間信頼性を確保することが可能と成る。
【００３０】
本発明の電解液はＳｅｔｓｃｈｅｎｏｗ定数（ｋｓ）が０．１５０以上の値を有するイオンを含む塩を使用することが好ましい。
【００３１】
水溶液に塩を添加すると、非極性分子の水溶液に対する溶解度が低くなり非極性分子が水溶液から分離される現象が加速化される。これをホフマイスター効果（Ｈｏｆｍｅｉｓｔｅｒ  ｅｆｆｅｃｔ）とし、次のようなＳｅｔｓｃｈｅｎｏｗ方程式で示すことが出来る。
【数３】
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ｃｉ：塩を含む水溶液において非極性分子のモル溶解度
ｃｉ（０）：純水において非極性分子のモル溶解度
ｃｓ：塩のモル濃度
ｋｓ：Ｓｅｔｓｃｈｅｎｏｗ定数
【００３２】
この際、定数ｋｓが大きい陽の値を有するほど非極性分子を水溶液から良く分離させ高温で電解液と絶縁液との間の混ざり現象を抑制、即ち高温信頼性を確保できるイオンである。上記定数ｋｓは一般的にイオンの大きさが小さいほど大きくなる（但し、Ｌｉ＋は例外、表４参照）。液体レンズの駆動のため特に分子の運動性が大きい高温で電解液と絶縁液との間の物理的混合と化学反応を抑えることが重要で、このためｋｓ値が大きいイオンを電解液に添加すると大きい効果が得られる。より具体的には上記ｋｓ値は０．１５０以上の値を有するイオンが好ましい。
【表４】
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【００３３】
ベンゼンに対する種々のイオンのｋｓ値は表４に記載された通りである。上記表４からｋｓ値が０．１５０より大きいイオンにはＮａ＋、Ｋ＋、Ｂａ２＋、Ｆ−、Ｃｌ−及びＢｒ−等が挙げられる。
【００３４】
しかし、上記ｋｓ値が０．１５０より大きいイオンのうち、Ｂａ２＋またはＦ−を含む塩は非極性物質をソルティングアウト（ｓａｌｔｉｎｇ  ｏｕｔ）する能力は高いものの、溶解度が低いため過量の塩が必要な液体レンズ用電解液に利用されるのは困難である。
【００３５】
一般的に絶縁液として利用されるシリコンオイルの物性がベンゼンと大きく変わらないとする時、電解液／絶縁液分離に最も効率的な塩はＮａＣｌである。
【００３６】
結論的に溶解度、氷点、温度による粘度変化、絶縁液との分離特性を全て考慮してモル質量が小さく溶解度が高い塩、電荷密度が低い構造破壊者イオンで構成された塩、即ちＪｏｎｅｓ−Ｄｏｌｅ定数が陰の値を有するイオンで構成された塩及びソルティングアウト能力が優れるイオンで構成された塩、即ちＳｅｔｓｃｈｅｎｏｗ定数ｋｓが０．１５０以上の値を有するイオンで構成された塩を適正割合で混合して使用することにより電気湿潤装置に使用される電解液として要求される物性と信頼性を満足する電解液を設計することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】一般的な電気湿潤システムを概略的に図示した図面である。
【図２】電圧印加時の液体駆動姿を概略的に図示した図面である。
【図３】電圧印加時の界面の曲率が変化する姿を図示した図面である。
【図４】水の温度による粘度変化を示したグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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